Способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности Российский патент 2022 года по МПК C09K3/18 B05D3/12 B05D5/02 B05D5/08 C23C16/26 C01B32/15 B82Y40/00 B81C1/00 F28F13/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к способам гидрофобизации поверхности металлов для стабилизации капельной конденсации и защиты от коррозии.

Эффективным является способ интенсификации теплообмена при конденсации путем перехода от пленочной конденсации к капельной. Для создания гидрофобных поверхностей применяют различные технологии: силиконовые гели, лазерное текстурирование, плазменное травление металла и другие методы.

Известен способ гидрофобизации поверхности (патент US №5814392, публ. 29.09.1998, МПК B05D 5/02), согласно которому на гладкую поверхность наносят смесь из клея, микрочастиц и растворителя для изменения шероховатости, при этом поверхность приобретает гидрофобные свойства, что обеспечивает краевой угол около 100 градусов.

Недостатком данного технического решения является низкая надежность применительно к конденсаторам ТЭС, низкая прочность, а характерный размер структуры невозможно контролировать.

Также известен способ гидрофобизации поверхности, описанный в статье (A.V. Ryzhenkov, M.R. Dasayev, O.V. Ryzhenkov, A.V. Kurshakov "On Parameters of Normalized Different-Scale Relief Created on Brass Surfaces by Means of Laser" International Journal of Applied Engineering Research Volume 12, Number 19 (2017) pp.8824-8829 ISSN 0973-4562), где формируют микротекстуру с помощью мощного лазера, краевой угол для которой равен 141 градус.

Недостатком настоящего способа является его сложность вследствие необходимости использования мощного лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ гидрофобизации поверхности, описанный в статье (Deng X, Mammen L, Butt HJ, Vollmer D. Candle soot as a template for a transparent robust superamphiphobic coating. Science. 2012 Jan 6;335(6064):67-70.), где формируют гидрофобную поверхность с помощью осаждения наночастиц углерода из газовой фазы и последующим закреплением слоя наночастиц с помощью пасты на основе кремния в атмосфере аммиака в сушильном шкафу при температуре 600°С.

Недостатком данного технического решения является низкое значение краевого угла и значительная сложность процедуры формирования покрытия из-за использования сушильного шкафа с атмосферой аммиака.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение краевого угла за счет формирования комбинированной структуры на поверхности металла.

Технический результат заключается в увеличении теплоотдачи при капельной конденсации на гидрофобной поверхности, а также упрощении технологии формирования гидрофобного покрытия за счет исключения процессов сушки и обработки лазером.

Это достигается тем, что в известном способе получения гидрофобной структуры поверхности, основанном на осаждении наночастиц, в качестве указанной поверхности используют металлическую поверхность, на которой вначале сферическими частицами продавливают микротекстуру характерным размером 70-80 мкм, затем осуществляют осаждение из газовой фазы наночастиц углерода размером от 5 до 100 нм, формируя тем самым структуру с комбинированной шероховатостью, далее полученную поверхность упрочняют с помощью пропитки 0,1% раствором синтетического каучука в ацетоне с получением краевого угла от 150 до 160 градусов.

Сущность предлагаемого способа формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена поверхность металла с продавленной микротекстурой с характерным размером 80 мкм; на фиг. 2. изображена комбинированная поверхность с нанесенными на продавленную микротекстуру наночастицами углерода; на фиг. 3 показана фотография капли на металлической подложке с комбинированным покрытием, где краевой угол составляет 158 градусов; на фиг.4 представлена зависимость краевого угла от шероховатости поверхности,

Способ формирования комбинированной супергидрофобной структуры поверхности осуществляется следующим образом.

С помощью пресса осуществляют давление на поверхность твердыми сферическими частицами, формируя на ней структуру с шероховатостью 70-80 мкм, как показано на фиг. 1. Оптимальный размер продавленной текстуры выбран на основе полученной экспериментальным путем зависимости краевого угла от шероховатости поверхности, показанной на фиг. 4, где: (1) - исходная поверхность алюминия, (2) - продавленная текстура с зерном 80 мкм, (3) - продавленная текстура с зерном 150 мкм, (4) - продавленная текстура с зерном 180 мкм, (5) - продавленная текстура с зерном 200 мкм, (6) - продавленная текстура с зерном 250 мкм, (7) - продавленная текстура с зерном 350 мкм, (8) - полированный алюминий, (9) - текстура, полученная с помощью плазменного травления. Отсюда следует, что оптимальным значением шероховатости является интервал от 70 до 80 мкм.

После формирования текстуры на поверхности осаждают наночастицы углерода из газовой фазы путем сжигания углеводорода в емкости вблизи поверхности, формируя слой наночастиц углерода с размером от 5 до 100 нм.

Таким образом, продавленная текстура формирует микрорельеф, а осаждение наночастиц углерода добавляет нанорельеф, что подобно поверхности листа лотоса - растения с очень высокими гидрофобными свойствами. При этом, комбинирование нано- и микрорельефа согласно предложенному изобретению, обеспечивает значительно лучшие гидрофобные свойства, чем использование нано- и микрорельефов по отдельности.

Для улучшения сцепления углерода с металлической текстурой поверхность пропитывают 0,1% раствором синтетического каучука в ацетоне. Полученная супергидрофобная структура, которая показана на фиг. 2, обеспечивает рост краевого угла до 160 градусов, что показано на фиг. 3. С ростом краевого угла увеличивается интенсивность теплоотдачи при капельной конденсации за счет уменьшения диаметра капель и повышения скорости их стекания с поверхности.

Использование изобретения позволяет исключить технически сложные операции формирования гидрофобной поверхности с помощью лазера или с использованием сушильного шкафа. Полученное покрытие позволяет достигнуть краевого угла от 150 до 160 градусов с помощью простых операций формирований продавленной микротекстуры и нанесения наночастиц углерода.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для стабилизации капельной конденсации на поверхности металлов и её защиты от коррозии. Для формирования супергидрофобной структуры металлической поверхности сначала сферическими частицами продавливают микротекстуру с характерным размером 70-80 мкм, затем осаждают из газовой фазы наночастицы углерода размером 5-100 нм, формируя тем самым структуру с комбинированной шероховатостью. Полученную поверхность упрочняют пропиткой 0,1 % раствором синтетического каучука в ацетоне. Увеличивается теплоотдача при капельной конденсации на гидрофобной поверхности, упрощается технология формирования гидрофобного покрытия за счёт исключения сушки и обработки лазером. 4 ил.

Способ формирования супергидрофобной структуры поверхности, основанный на осаждении наночастиц, отличающийся тем, что в качестве указанной поверхности используют металлическую поверхность, на которой вначале сферическими частицами продавливают микротекстуру характерным размером 70-80 мкм, затем осуществляют осаждение из газовой фазы наночастиц углерода размером от 5 до 100 нм, формируя тем самым структуру с комбинированной шероховатостью, далее полученную поверхность упрочняют с помощью пропитки 0,1% раствором синтетического каучука в ацетоне.